Проблемы захоронения РАО отходов

1. Радиоактивные отходы и их классификация.

Радиоактивными называют отходы, в которых концентрации радиоактивных  веществ превышают нормативы, установленные  для соответствующих сред (например, для воды, воздуха, твердых отходов).

Источниками радиоактивных  отходов являются предприятия по добыче и переработке радиоактивного сырья, по производству и использованию радиоактивных материалов, а также учреждения, где ведутся работы с радиоактивными изотопами. Степень санитарной вредности радиоактивных отходов при бесконтрольном удалении их обусловлена возможностью загрязнения радиоактивными веществами объектов внешней среды (воздуха, воды, почвы и т. д.), следствием чего может быть облучение людей. Существенное значение при этом приобретают масштабы загрязнения местности, интенсивность и длительность воздействия ионизирующих излучений на людей.

По физическому состоянию радиоактивные отходы подразделяются на жидкие, газообразные и твердые.

В санитарном отношении наиболее серьезного внимания как потенциальные  факторы загрязнения объектов внешней  среды заслуживают жидкие и газообразные радиоактивные отходы, что обусловлено  их способностью легко распространяться в соответствующих средах.

К жидким радиоактивным  отходам относятся отработанные технологические растворы, сточные воды от мытья оборудования, загрязненного радиоактивными веществами, соответствующих помещений, спецодежды и т. д., воды от охлаждения атомных реакторов и др.

Согласно рекомендациям  Международного агентства по атомной  энергии 1971 г. жидкие радиоактивные отходы по степени радиоактивности подразделяются на высокоактивные (с концентрацией 10-4 кюри/л и выше), средней активности (от 10-4 кюри/л до 10-8 кюри/л) и слабоактивные (10-9 кюри/л и меньше).

Твердые РАО обычно состоят из мусора, содержащего стекло, бумагу, текстиль, резину, дерево, пластмассы, непригодные для дальнейшего использования детали оборудования, лабораторные приборы, трупы лабораторных животных. К твердым РАО относится также спецодежда, загрязненная радиоактивными веществами выше уровня активности III группы (500 000 бета-частиц и 7000 альфа-частиц в 1 мин. со 150 см- поверхности), поскольку спецодежда с таким уровнем радиоактивного загрязнения не подлежит дезактивации.

Количество твердых РАО примерно вдвое превышает количество жидких РАО. Их этого соотношения обычно исходят при проектировании пунктов захоронения РАО.

 Радиоактивные газы, образующиеся  на радиохимических предприятиях  при эксплуатации ядерных реакторов  и при сжигании отбросов, содержащих  радиоактивный материал, также относятся к РАО. Газообразные выбросы содержат радиоактивные вещества в виде газов, тумана и аэрозолей.

По степени  активности радиоактивные отходы делятся  на:

• слабоактивные с концентрацией бета-излучаюших радиоизотопов до 10-5 кюри/л;
• среднеактивные с концентрацией бета-излучателей до 1 кюри/л;
• высокоактивные, с концентрацией бета-активных радиоактивных веществ свыше 1 кюри/л.

Главным источником высокоактивных РАО являются ядерные реакторы. 

В США и Англии жидкие радиоактивные отходы также  делятся на 3 категории:

• высокоактивные — с содержанием радиоактивных веществ (РВ) в десятки кюри на 1 л;
• среднеактивные — с концентрацией РВ в несколько милликюри или десятые доли кюри;
• слабоактивные — с содержанием РВ, в 100—1000 раз превышающим ПДК, установленные для воды.

Радиоактивные отходы участвуют  в локальном загрязнении радиоактивными веществами воздуха, воды, почвы и  растений. Радиоактивное загрязнение  внешней среды повышает уровень  естественного радиоактивного фона и создает опасность поступления  РВ в организм с водой и пищевыми продуктами. Степень радиационной опасности  в свою очередь определяется количеством РАО, поступающих в биосферу, мощностью дозы гамма-радиации, размерами загрязняемой территории и численностью населения, проживающего в данной местности.

Главная опасность радиоактивных  отходов заключается не во внешнем  воздействии на человека, а в проникновении  радиоактивных веществ в организм. Отсюда очевидна необходимость локализации  РАО на месте их образования и предотвращения возможности их миграции по пищевым цепям питания человека и животных.

Жидкие РАО малой и средней активности, содержащие короткоживущие радиоизотопы (Т макс. 15 сут.), выдерживают в специальных емкостях до снижения уровня активности, предусмотренного санитарными правилами, после чего сбрасывают в канализационную сеть или отводят в водоемы.

Выдерживание радиоактивных  отходов высокой активности экономически невыгодно.

Более распространена очистка  радиоактивных сточных вод коагуляцией.

Для очистки применяют  обычные коагулянты: Al2(SO4)3, Fe2(SO4)3 и FeCl3. Перешедшие в осадок (1—3% объема) РВ вывозят на пункты захоронения. Наиболее полная дезактивация сточных вод  достигается методом ионного  обмена. Этим способом концентрация радиоактивных  веществ в сточных водах может  быть снижена до уровня ПДК. Радиоактивные сточные воды биологических и медицинских учреждений до дезактивации подвергают очистке на биофильтрах по схеме обработки хозяйственно-фекальных сточных вод. После биологической очистки сточные воды подвергают концентрации методом упаривания с последующим захоронением радиоактивного осадка. Дезактивацию сточных вод после фильтрации через биологические фильтры производят путем ионообменной фильтрации. В практике обезвреживания жидких радиоактивных отходов широкое применение находит метод упаривания сточных вод, допускающий дезактивацию радиоактивных вод любого солевого состава и любого уровня активности и обеспечивающий высокую степень дезактивации и получение концентрированного остатка высокой активности. Эффективность этого метода определяется отношением объема жидких РАО к объему концентрата. Объем жидких РАО может быть снижен после упаривания в 1000 раз. Метод непригоден при наличии в сточных водах летучих радиоактивных веществ (J131 и др.). Для уменьшения объема гидратных осадков после упаривания их подвергают обезвоживанию. Объем осадка при этом уменьшается в 10—15 раз. Более полное удаление влаги из гидратных осадков достигается использованием дренажных устройств с последующим высушиванием на открытом воздухе. Для полного удаления воды осадок высушивают на сушильных установках, упаковывают, отправляют в места захоронения. Жидкие горючие РАО, состоящие из смазочных масел, растворителей и экстрагентов (бензина, керосина, ацетона, эфира, спирта), следует выдерживать до спада активности в соответствии с установленными нормами ПДК. После соответствующего выдерживания горючие РАО утилизируют или сжигают. При наличии долгоживущих радиоизотопов применяют сжигание, сушку, фильтрацию и отстаивание.

Выделенные путем фильтрации и отстаивания твердые радиоактивные  примеси подвергают захоронению, подобно  твердым РАО. Их смешивают с песком или землей, упаковывают в металлические барабаны и заливают раствором бетона. Очищенные масла и растворители утилизируют или сжигают. Для сбора, хранения и перевозки твердых РАО применяют резиновые (пластикатовые) или бумажные мешки одноразового пользования. Небольшие количества жидких РАО иногда подвергают отверждению в мешках из полиэтилена или хлорвинила добавлением гипса, который засыпают в мешок толстым слоем перед заполнением радиоактивной жидкостью. Упакованные таким образом РАО хранят и перевозят в оборотных транспортных контейнерах. Мощность дозы гамма-излучения на расстоянии 1 л от контейнера не должна превышать 3,6 мр/час. В помещениях для хранения контейнеров с радиоактивными отходами, содержащих гамма-излучающие радиоизотопы, должны устраиваться защитные экраны или траншеи, а также холодильники (для хранения трупов лабораторных животных и органических материалов). Контейнеры и хранилища для выдерживания альфа- и бета-активных РАО могут быть более простыми. Пылевидные РАО упаковывают в металлические барабаны, после чего крышки запаивают. Предметы лабораторного оборудования и детали машин во избежание радиоактивного загрязнения транспортных средств и дорог покрывают прочной водоупорной краской. Твердые РАО для снижения активности и уменьшения их объема выдерживают, измельчают и прессуют. Горючие отходы сжигают в специальных печах вдали от населенных пунктов. Процесс сжигания связан с выделением дыма, содержащего радиоактивные аэрозоли; для улавливания их требуется сложная система очистки. Сжигание позволяет уменьшить объем твердых РАО в 20—30 раз, но при этом образуются дополнительные отходы в виде отработанных насадок, фильтрующих тканей и жидких скрубберных остатков. Твердые радиоактивные отходы, содержащие долгоживущие радиоизотопы, перерабатывают в том случае, когда их много и место образования находится далеко от пункта захоронения. Твердые РАО, содержащие короткоживущие радиоизотопы (Т 15—60 дней), целесообразно выдержать в течение времени, равного 10 полураспадам (происходит снижение активности в 210=1024 раза). Если среднее время полураспада лежит в диапазоне 15—60 сут., Р. о. выдерживают 150—600 сут.

Любая система удаления РАО должна отвечать основным гигиеническим требованиям:

1) абсолютно гарантировать  непопадание радиоактивных веществ  в пищевые продукты и воду;

2) исключать всякую опасность  внешнего облучения населения  в дозах, превышающих предельно  допустимый уровень; 

3) не допускать неблагоприятного  влияния радиоактивных отходов  на месторождения полезных ископаемых  и затруднения доступа к ним; 

4) быть экономически целесообразной.

2. Методы обращения с радиоактивными отходами 
   

Методы обращения с  радиоактивными отходами и их последовательность указаны на схеме.

Выделяют 4 основных подхода  к обращению с РАО:

1) очистка от высокоактивных  примесей пылегазовых и жидких  отходов с последующим сбросом  низкоактивных радиоактивных отходов в атмосферу или водоемы, где происходит их разбавление до разрешенных уровней.

2) Сброс жидких радиоактивных  отходов низкой и средней активности  в фильтрующие колодцы и искусственные  подземные полости в глинистых  толщах. Таким способом в Хэнфорде (США) до 1959 удалено 1,5•107 м3 жидких  радиоактивных отходов общей  активностью 1•1017 Бк.

3) Выдержка с целью  уменьшения удельной активности  во временных хранилищах (от нескольких  суток до десятков лет) перед  переработкой и сбросом в окружающую  среду. При временном хранении  высокоактивных жидких и твердых  РАО предусматривается их принудительное охлаждение. Нарушение режима хранения может иметь катастрофические последствия. Напр., 29 сентября 1957 близ г. Кыштым (Южный Урал) произошел взрыв емкости с высокоактивными радиоактивными отходами. В результате в атмосферу была выброшена смесь радионуклидов 144Се и 144Pr, 95Zr и 95Nb, 106Ru и 106Rh, 90Sr и 90Y, 137Cs общей активности около 7,4•1016 Бк. Общая площадь загрязнения составила (15-23)•103 км2, плотность загрязнения - от 3,7•109 до 1,5•1014 Бк/км2.

4) Переработка радиоактивных  отходов с целью уменьшения  их объема и проведение работ  по изолированию радиоактивных  отходов от биосферы. Для жидких  радиоактивных отходов используют  осаждение, экстракцию, ионный обмен  (хим. способы переработки), а также  дистилляцию, отверждение (физические  способы). Твердые радиоактивные  отходы перерабатывают прессованием, сжиганием, кальцинацией (обжигом  при 773-973 К), остатки улавливают  и захоранивают. Надежных, абсолютно  безопасных способов захоронения  твердых радиоактивных отходов  нет. Газообразные радиоактивные  отходы перерабатывают посредством  химического поглощения (радионуклиды I, Вr, Те), адсорбции, фильтрации, их  хранят в баллонах при повышенном  давлении.

Конечным продуктом переработки  различных радиоактивных отходов  являются иммобилизованные твердые  радиоактивные отходы в виде компактных блоков. Для иммобилизации и изолирования твердых радиоактивных отходов  применяют следующие способы: цементирование и битумирование радиоактивных  отходов с низкой и средней  удельной активностью; высокотемпературный  обжиг (кальцинация и суперкальцинация) для получения спеченных частиц; остекловывание с применением боросиликатных (при 1273 К) или фосфатных (при 773 К) стекол, упаковка в контейнеры из нержавеющей  стали и свинца.

Длительное хранение переработанных радиоактивных отходов (десятки лет) ведется в траншеях, наземных или неглубоких подземных инженерных сооружениях, снабженных системами контроля за миграцией радионуклидов.

Захоронение (на сотни  лет) проводят в материковых геол. структурах (подземных выработках, соляных пластах, естественных полостях) и на дне океана в сейсмически неопасных районах. Как теоретически возможное захоронение РАО рассматривается превращение (трансмутация) долгоживущих радионуклидов в короткоживущие путем облучения в реакторе или на ускорителе (протонное и g-выжигание). Выбор вида захоронения зависит от удельной активности и радионуклидного состава РАО, степени герметизации упаковок и вероятной продолжительности захоронения. Механизмы миграции радионуклидов из мест хранения (или захоронения) в окружающую среду могут быть разными, основная причина - выщелачивание радионуклидов из упаковок и разрушение контейнеров водой. Скорость выщелачивания считается приемлемой на уровне 10-5 -10-8 г/см2 в сутки, что обеспечивает хранение в течение несколько тысяч лет без загрязнения окружающей среды выше допустимых уровней. Согласно Лондонской конвенции по предотвращению загрязнения моря сбросами отходов и других материалов (1972), запрещен сброс в океан отработавшего ядерного топлива, а также некоторых других видов РАО с уд. активностью, превышающей 5•107 Бк/кг (a-излучатели), 2•1010 Бк/кг (β-и γ-излучатели с периодом полураспада Т1/2 более 1 года, кроме трития), 3•1012 Бк/кг (для трития и β-и γ-излучателей с Т1/2 менее 1 года). В настоящее время большая часть высокоактивных радиоактивных отходов, образующихся при переработке ядерного топлива в различных странах, хранится либо в виде жидкостей (кислых или щелочных), либо в виде солевых концентратов в резервуарах из нержавеющей стали (кислые растворы) или из низкоуглеродистой стали (щелочные растворы).

Захоронение радиоактивных  отходов осуществляют в специально оборудованных емкостях из нержавеющей стали, помещенных в поверхностные слои земли выше уровня грунтовых вод. Транспортирование, переработка и захоронение радиоактивных отходов производится специальными пунктами или специализированными комбинатами. Участок для захоронения должен быть расположен вне территории перспективного развития населенных пунктов и пригородных зон на расстоянии не менее 500 м от водоемов и водозаборов на незатопляемой и незаболоченной местности. Вокруг пункта или комбината устанавливается санитарно-защитная зона радиусом не менее 1000 м.